O que é um DPS e qual sua função?

Introdução

No contexto em que a digitalização dos processos industriais é essencial para impulsionar a produtividade e eficiência, e com a crescente miniaturização de controladores, sensores e atuadores, os equipamentos industriais modernos tornam-se cada vez mais suscetíveis a danos causados por surtos elétricos. Nesse cenário, problemas em tais equipamentos podem resultar na paralisação de uma linha inteira de produção ou ocasionar a perda irreparável de dados, acarretando prejuízos cujo custo podem exceder muito o valor dos dispositivos afetados. Diante disso, faz-se necessária a adoção de uma solução para mitigar esses riscos, sendo uma abordagem eficaz a utilização do Dispositivo Protetor de Surto (DPS).

O que são surtos elétricos?

Surtos elétricos, também conhecidos como sobretensões transitórias, são picos de tensão de alta magnitude caracterizados por frequência elevada e curtos períodos de duração.

Sinal senoidal com presença de surtos elétricos

A origem desses surtos pode ser atribuída a uma variedade de causas, sendo elas:

Descargas atmosféricas – raios e tempestades são fenômenos elétricos de energia extrema e podem gerar distúrbios em instalações elétricas situadas a vários quilômetros do ponto de impacto. Essa descarga pode ocorrer de duas maneiras distintas: descarga direta, através de para-raios, antenas, tubulações metálicas ou pelas linhas transmissões externas áreas; descarga indireta, por meio de correntes pulsantes que induzem tensão elétrica em bobinas e circuitos elétricos fechados em anel, ou por elevação do potencial de terra através de descargas nas proximidades.

Descarga através do condutor de terra

Comutações de Carga – o chaveamento de dispositivos elétricos industriais, como motores, transformadores, bancos de capacitores, relés e contadoras.

Descargas Eletrostáticas – o acúmulo de carga estática acontece quando elétrons são transferidos entre dois objetos, podendo ser desencadeada pelo atrito entre materiais distintos ou por meio da indução eletrostática.

Anomalias na rede de distribuição – falhas em dispositivos da linha de transmissão e manobras na operação da rede elétrica, como abertura e fechamento de chaves seccionadoras.

Níveis típicos de surtos elétricos

Vale ressaltar que cerca de 20% dos surtos têm origem na rede elétrica e em fenômenos externos, enquanto os outros 80% são gerados internamente na instalação. Estes últimos resultam em picos de tensão de menor magnitude, porém, ocorrem com maior frequência, reduzindo significativamente a vida útil de equipamentos eletrônicos industriais.

Dispositivo protetor de surto (DPS)

Um dispositivo protetor de surto é um equipamento que tem como finalidade proteger aparelhos elétricos e eletrônicos de picos de sobretensão. Durante a operação normal do circuito, o DPS atua como um circuito aberto, porém em caso de surto, ele reduz sua impedância interna, conduz a corrente de surto e limita a tensão de alimentação do dispositivo protegido. Com extinção do surto, o DPS volta para o estado inicial e se comporta novamente como um circuito aberto.

DPS atuando na proteção contra surto

Desse modo, na elaboração do Dispositivo de Proteção contra Surtos (DPS), empregam-se componentes cujas curvas de tensão x corrente são não lineares, sendo os principais:

Centelhador a gás (GDT) – é formado por uma câmara que contém um gás pressurizado, caso a tensão aplicada entre os terminais ultrapasse a rigidez dielétrica do gás, o dispositivo entra em estado de condução; é utilizado na proteção contra surtos de alta tensão, como descargas atmosféricas. Possui a respostas mais lenta entre os componentes (na faixa de microssegundos), mas tem longa vida útil.

Varistor (MOV) – normalmente é constituído de óxido de zinco, tem como característica a redução da sua resistência de acordo com o aumento da tensão aplicada; utilizado para proteção de surtos de média intensidade ou picos de tensão prolongada, como sobretensões decorrentes de manobras ou falhas na rede de distribuição. Tem velocidade de atuação intermediária (microssegundos até centenas de nanossegundos) e apresenta desgaste com o tempo.

Diodo supressor (TVS) – é uma variação do diodo zener com tensão reversa e corrente de condução mais elevadas, no geral é feito de germânio ou silício. Normalmente é utilizado para proteção contra transientes decorrentes do chaveamento de cargas industriais e descargas eletrostáticas, ou na proteção de linhas de dados de comunicação. Possui capacidade de dissipação reduzida, longa vida útil, atuação rápida (na casa de nanossegundos) e baixa capacitância parasita.

Zonas de proteção contra raios (ZPRs)

Para determinar qual tipo de DPS deve ser empregado, é essencial compreender o conceito de Zona de Proteção contra Raios (ZPR) conforme definido na ABNT NBR 5410, que se baseia na norma internacional IEC 62305. As zonas são locais caracterizados pelos níveis máximos de ruido eletromagnético, sobretensão e corrente de surto admissíveis, sendo elas:

ZPR0 (LPZ0) – zona desprotegida e localizada fora da edificação, suscetível a descarga elétrica direta. Composição da zona: antenas, postes de iluminação, linhas de transmissão e comunicação externas.

ZPR1 (LPZ1) – primeira zona interna da edificação, equipamentos não estão suscetíveis a descarga elétrica direta. Composição da zona: quadro de distribuição de entrada e equipamentos conectados a ele.

ZPR2 (LPZ2) – zona localizada no interior da edificação, os valores de surto devem ser reduzidos em comparação a ZPR1. Composição da zona: quadro de distribuição secundário e equipamentos conectados a ele.

ZPR3 (LPZ3) – essa área encontra-se na parte mais interna da edificação, local onde os níveis máximos de sobretensão e corrente de surto devem ser mínimos. Composição da zona: equipamentos eletrônicos sensíveis.

Representação das zonas

Classes de DPS

Após a definição das zonas, torna-se crucial compreender as diferentes classes de Dispositivos de Proteção contra Surtos e suas respectivas áreas de aplicação. Nesse contexto, a norma ABNT NBR 5419, alinhada com a IEC 61643, categoriza os DPSs em três classes, cada uma proporcionando níveis distintos de proteção, e delimita suas zonas de aplicação. Sendo elas:

Classe I – oferece proteção contra descargas atmosféricas diretas sobre a edificação ou suas proximidades. Devem ser instalados no limite entre as zonas ZPR0 e ZPR1.

Classe II – protege contra descargas atmosféricas indiretas e sobretensões decorrentes de manobras e falhas na rede de distribuição. Sua instalação deve ser realizada no limite entre as zonas ZPR1 e ZPR2.

Classe III – destinado a proteção de equipamentos eletrônicos sensíveis, proporciona defesa contra surtos de origem interna causados por comutação de cargas e descargas eletrostáticas. É aplicado no limite entre as zonas ZPR2 e ZPR3.

Além das classes definidas pela International Electrotechnical Commission (IEC), alguns produtos são certificados por tipos, classificação estabelecida pela Underwriters Laboratories (UL), que é o padrão adotado no mercado norte-americano. Desse modo, o seguinte esquema demonstra a equivalência entre essas normas:

Bornes de proteção WAGO

Para empresas que buscam proteção contra sobretensão, a WAGO oferece duas linhas de produtos:

Bornes da série 792 – são desenvolvidos especificamente para dispositivos de controle e linhas de comunicação industrial, fornecendo baixo tempo resposta, níveis reduzidos de capacitância parasita, dimensões reduzidas (apenas 6mm de espessura), alto nível de confiabilidade e proteção para cargas sensíveis.

Bornes da série 280 – possuem componentes de proteção integrados, possibilitando o projeto de soluções personalizadas para tipos diversos de cargas e surtos, disponíveis em versões com centelhadores a gás, varistores e diodos de proteção, assim como para aplicações de corrente continua e alternada.

DPS ABB

Visando atender demandas residenciais, comerciais e industriais, a ABB disponibiliza a linha OVR, um conjunto completo de dispositivos protetores de surto para as mais distintas aplicações, contemplados produtos das categorias tipo 1, 2 e 3. Destacam-se alguns diferenciais da linha:

– Contatos auxiliares para monitoramento remoto do dispositivo.

– Indicador de fim de vida útil, permitindo visualizar o estado da proteção.

– Facilidade na manutenção, possibilitando trocar cartuchos gastos sem a necessidade de isolar ou remover cabos do circuito.

– Possui sistema de reserva de segurança, caso a corrente de surto exceda a capacidade de dissipação do dispositivo, o DPS irá chavear para posição reserva de segurança, o componente protetor é desconectado e um segundo componente entra em operação. Dessa forma, é dada continuidade a proteção e o usuário é avisado precocemente da necessidade da troca do cartucho.

Linha OVR